단백질 포집/전달체 Fructosome 기술 

1. 기술의 개요

◯ 인체 의약품, 화장품용 및 다양한 산업용으로 사용되는 단백질 제품들은 세포밖에서는 다양한 요인들로 인해 매우 불안정한 상태이며 반감기가 짧아 초기 활성 유지가 어렵고 장기보관이 불가능함. 이러한 단백질 제품의 안정성 향상 및 지속적 효능 유지를 위해 단백질을 수용성 바이오폴리머인 프럭탄(fructan)에 encapsulation하는 기술임. 

◯ 프럭탄의 일종인 레반(levan)은 과당중합체로서 식물체와 미생물에서 발견되는 인체에 무해한 바이오폴리머이며 현재 식의약품산업, 기능성화장품, 농축산 분야, 산업용 재료 등 다양한 분야에서 수요가 확대되고 있는 기능성 물질임. 특히 화장품산업에서 보습제로서 히알론산 대체제로 각광을 받고 있음. 

◯ 레반을 구성하는 오탄당의 carboxyl group과 hydroxyl group에 의해 양친매성을 가지며 특정조건을 가진 수용액상에서 매우 안정적인 globular conformations를 형성하므로 단백질을 포함하는 나노파티클의 제조가 가능함.

◯ 특히 현재 단백질 전달체로 사용되는 리포좀(liposome) 기술은 지질막으로 구성되어 수용성 단백질의 경우 포집율이 20~30%로 매우 낮아 실제 기능성에 대해 논란이 있으나 수용성 프럭토좀(Fructosome)은 단백질 포집 효율이 80% 이상으로 단백질 포집 및 전달체로서 기능성이 입증되었으며 특히 동결건조를 통해 상온에서도 단백질의 안정성이 유지됨.

2. 단백질-Fructosome의 제조과정 

◯ 단백질 용액과 레반 용액을 혼합하여 salting-out 방법으로 단백질을 레반파티클에 encapsulation 한 후 high-speed homogenizer를 이용하여 나노파티클화함. 이후 ultrafiltration을 통해 정제하고 동결건조함. 

3. Fructosome의 특성 분석

◯ Fructosome 내 단백질 포집을 육안으로 관찰하기 위하여 녹색형광단백질(GFP)을 포집한 결과 99%의 단백질이 포집되었음. 원심분리 전후 형광단백질의 위치를 확인한 결과 단백질이 Fructosome에 포집되어 파티클과 동일하게 이동함이 확인되었으며 포집된 GFP는 용액상에서 서서히 controlled release됨을 확인함. 

<형광단백질의 포집 및 조절방출 분석>

◯ 인체 표피성장인자(EGF)를 이용하여 Fuctosome을 제조한 결과 약 85% 이상의 EGF가  포집되었으며 제조된 Fructosome을 전자현미경으로 분석한 결과 100~800nm 크기로 나타났으며 homogenizer 조절을 통하여 나노파티클의 크기 조절이 가능하였음. 제조된 EGF-fructosome는 Cell proliferation 분석결과에서 EGF 단독으로 사용한 경우와 차이 없이 세포성장을 촉진하였으며 in vitro 단백질 안정성은 월등히 증가하여 대조구는 2주후 90%의 활성을 상실하였으나 EGF-Fructosome은 8주후에도 60% 이상의 활성을 유지하였음.   

<인체 표피성장인자의 포집, 나노구조체 확인 및 활성 및 안정성 분석>

◯  EGF-Fructosome은 EGF의 피부재생, 주름개선 효과(콜라겐 생합성)와 레반의 보습효과(아쿠아포린3 활성)를 동시에 가지는 복합기능성 소재임을 확인함.

<EGF-Fructosome의 주름개선 및 보습 복합활성 확인>

4. Fructosome의 대량 제조 

◯ 100리터 규모의 Fructosome 대량 제조 시스템을 구축하고 대량의 BSA-fructosome 제조한 결과 단백질 포집 효율에 문제가 없음을 확인함.

<100 L 규모의 Fructosome 제조시 포집효율 확인>

5. 결론  

◯ Fructosome은 다양한 단백질을 높은 encapsulation efficiency (EE)로 포집할 수 있으며 in vitro 에서 불안정한 단백질을 안정화시켜 활성을 지속적으로 유지할 수 있음. 

◯ Fructosome은 동결건조 분말로 장기보관 가능하며 상온 보관시에도 단백질의 stability를 유지함.

◯ Fructosome은 포집 단백질의 내열성 및 내산성을 증가시키며 생체에 존재하는 다양한 protease로부터 단백질을 안전하게 보호할 수 있음. 

◯ Fructosome 기술은 화장품용 단백질의 delivery 뿐만 아니라 단백질의약품 분야에서도 서방형 제제 또는 경구용 단백질의약품으로 개발 가능함.  

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◯ 특허출원: 레반-단백질 나노복합체 및 이의 용도 (10-2019-0090980)
◯ 상표등록: 나노-프럭토좀(Nano-fructosome) 40-2019-0069380(40-2019-0069381)
◯ 논문: Dual-functional carboxymethyl levan-based protein carrier for cosmeceutical application of human epidermal growth factor (International J. Biological Macromolecules (2023) 229:181-187 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141813022031993)

◯ 문의처: ㈜셀라피바이오

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